Experimento de la Escuela Secundaria : Efecto de la temperatura en la fuerza del imán

Question

Estoy realizando un experimento para mi escuela que investiga el efecto de la temperatura en el campo magnético de un imán, y me he encontrado con un pequeño problema. Para la medición de datos, he conseguido un termistor y un sensor radiométrico lineal de efecto Hall y voy a utilizar un Arduino para el registrador de datos. El problema al que me enfrento es que no sé cómo medir la intensidad del campo magnético y la temperatura de forma eficiente sin perder mucho calor.

Hasta ahora he pensado en dos métodos, sin embargo, no estoy seguro de que vayan a funcionar. Una forma que se me ocurrió fue colocar el imán en un tubo de ensayo con agua y luego calentar el agua hasta su punto de ebullición, luego quitar la cabeza y conectar el termistor al agua y mido el imán a través del tubo de ensayo. El segundo método que se me ocurrió fue simplemente colocar el imán en agua hirviendo y luego transferirlo con unas pinzas de punta cerámica a un pequeño montaje con el termistor y el sensor de efecto hall ya colocados.

En el primer método creo que el agua no tendría exactamente la misma temperatura que el imán en todo momento, y el medio vidrio/agua afectará a la intensidad del campo magnético que voy a medir. En el segundo método creo que se perderá mucho calor por radiación durante la transferencia, por lo que la temperatura bajará muy rápidamente y la fecha no sería exacta. No sé exactamente cómo calentarla y medir la temperatura y la intensidad del campo magnético de forma eficiente. Agradecería alguna sugerencia/ayuda.

¡Muchas gracias!

P.D. Soy estudiante de secundaria por lo que no tengo acceso a aparatos avanzados

Answer 1

La base de la teselación de Voronoi es una triangulación entre los puntos. Las aristas de esta triangulación se cortan en la mitad de la distancia entre dos puntos. Esta es la posición por la que pasa el borde de las celdas de la tesalación. Por lo tanto, todo está bien en la imagen. Sin embargo, el algoritmo eligió algunas triangulaciones que yo no habría elegido a primera vista:

Al intentar estimar la triangulación subyacente, no se utiliza la conexión roja más pequeña, sino la más larga. Esto depende del algoritmo subyacente.

Answer 2

Creo que la solución más sencilla sería calentar el imán en una llama bunsen y luego envolverlo en una pequeña cantidad de material aislante ignífugo y sujetarlo a una distancia fija del sensor de efecto Hall. El imán perderá lentamente el calor mientras mantiene una temperatura bastante uniforme. El enfriamiento bastante lento permite que los dominios magnéticos tengan tiempo suficiente para reorganizarse. Las lecturas de la temperatura y del campo magnético pueden registrarse a intervalos regulares de tiempo (o preferiblemente de temperatura) mientras el imán se enfría. El sensor de temperatura debe colocarse antes del calentamiento, para evitar que se supere el punto de Curie en el que se pierde el magnetismo.

Esto es similar a su segundo método. Las ventajas en comparación con el método de baño de agua son :

1. Puede tomar lecturas en un rango de temperatura mucho más amplio, y acercarse mucho más a la temperatura de Curie (hierro $770^\circ C$ , neodimio hasta $400^\circ C$ , níquel sobre $360^\circ C$ - pero sólo con gadolinio $19^\circ C$ ). El resultado es un mayor rango de variación de la intensidad del campo magnético, que puede ser pequeño en el rango $20-100^\circ C$ . Deberías poder comprobar que por debajo de la temperatura de Curie la magnetización es proporcional a $(T_C-T)^\beta$ donde $\beta$ es una constante.

2. Es (probablemente) más fácil mantener una distancia y una orientación fijas entre el imán y el sensor, porque la variación debida a la temperatura puede verse anulada por las variaciones debidas al movimiento.

Las principales dificultades de este método son :

1. El rango de temperatura es probablemente demasiado grande para un termistor. Se necesita un termopar o un termómetro de resistencia (RTD).
2. ¿Cómo se coloca el termómetro? El imán estará demasiado caliente para la soldadura estándar, pero necesita un buen contacto térmico.
3. Demasiado aislamiento hará que el experimento se prolongue durante mucho tiempo (¿horas?), durante el cual puede haber derivas importantes en los instrumentos, o la posibilidad de alguna interferencia accidental.
4. Evitar superar la temperatura de Curie al calentar el imán.
5. Evitar el calentamiento del sensor de efecto Hall (como menciona Sam Weir). Colocando el sensor en el baño de agua te aseguras de conocer su temperatura, para poder aplicar una corrección de temperatura.
6. Seguridad en la manipulación de metales calientes.

Answer 3

No has dicho sobre qué rango de temperatura quieres hacer la medición. Llegar a la temperatura de Curie de algo como el hierro (Tc=1043 K) sería todo un reto y potencialmente peligroso para un experimento de nivel de laboratorio de secundaria.

Si tu intención es simplemente subir a un poco menos de la temperatura de ebullición del agua, así es como yo lo haría:

Consigue un horno de agua sous vide (yo tengo este modelo sous vide para cocinar costillas cortas, pero los hay más baratos en sitios como Amazon), llénalo de agua y pon el imán y tu sensor de temperatura en el agua (puede que tengas que proteger el sensor de temperatura del agua metiéndolo en una bolsa de plástico o recubriéndolo con cemento de goma de silicona, etc.). Si estás midiendo la intensidad del campo magnético de un ferromagneto, no tienes que preocuparte de que el agua, el plástico, el vidrio, etc., afecten a la intensidad del campo magnético del imán. Las susceptibilidades de todos esos materiales son tan pequeñas que no tienen prácticamente ningún efecto sobre el campo magnético en lo que respecta a sus mediciones.

Ahora la cuestión es cómo colocar el sensor magnético en relación con el imán. Lo más sencillo parece ser colocar el sensor magnético también en el baño del horno con agua, de modo que esté a una distancia fija del imán (y, de nuevo, asegurándose de que el sensor magnético también esté protegido del agua por una bolsa de plástico, etc.). El problema de este enfoque aparentemente directo es que tu sensor magnético basado en semiconductores casi seguro que tiene una gran dependencia de la temperatura, así que cuando registres los datos en función de la temperatura no sabrás cuánto cambia la señal medida debido al cambio del campo magnético y cuánto cambia la señal medida debido al cambio de temperatura del propio sensor magnético. Si tu sensor de temperatura viene con especificaciones de calibración que indican su dependencia de la temperatura, en principio podrías separar los dos efectos, pero sería complicado.

Así que te sugiero que intentes organizar el experimento de forma que el sensor magnético se mantenga a una temperatura fija. Podrías, por ejemplo, colocar una fina lámina de Saran-wrap u otra película de plástico sobre el baño de agua (en lugar de la habitual tapa metálica), y luego montar el sensor magnético por encima del baño de agua y de la película de plástico, pero lo suficientemente cerca del imán como para que el sensor pueda medir el campo magnético pero, al mismo tiempo, la temperatura del sensor se mantenga fija a la temperatura ambiente. De este modo, puedes estar seguro de que los cambios de señal que observas cuando cambia la temperatura del baño de agua se deben realmente a los cambios en la intensidad del campo magnético y no a ningún cambio de temperatura en el propio sensor magnético.